不同配光設計的LED黑板燈照明對老師產生的眩光分析

程 敏,俞浙銘,陳國秋

(1.中認尚動(上海)檢測技術有限公司，上海 200233；2.中華人民共和國黃埔海關，廣東 廣州 510730)

引言

為貫徹落實習近平總書記關于學生近視問題的重要指示精神，切實加強新時代兒童青少年近視防控工作，教育部會同國家衛生健康委員會等八部門制定了《綜合防控兒童青少年近視實施方案》[1]。為滿足教室、宿舍、圖書館(閱覽室)等對采光和照明的要求，使用有利于視力健康的照明設備成為重要方面，同時合理設計照明光環境也是必不可少的輔助性條件。

近年來，全國各地陸續展開了教室燈光改造的試點工作。同時，教室照明燈具產品的設計以及教室光環境設計也引起各大廠家的重視。教室燈具的防眩設計主要有兩大類：一是以格柵為主的防眩設計方案，一是以微晶面板為主的防眩設計方案。而教室光環境改造的主要難點就是黑板燈具的設計，從教室現場來看，其主要問題是因為燈具的光束角較大，使得更多的光直接照射到老師的視野里，對老師產生過大的眩光，也有部分研究證明傳統黑板燈具對黑板面上不同高度點產生眩光[2]。本研究重點選取當前不同類型的LED黑板燈具進行測試并作模擬分析，得出不同出光角度燈具在滿足國家標準要求的同時，對老師產生的眩光的影響情況，并給出優化設計方向。

1 統一眩光值(UGR)

照明環境的不舒適眩光由國際照明委員會(CIE)統一眩光值(UGR)圖表方法確定[3]，它是CIE 117:1995推薦的評價直接眩光的方法，對應的計算公式如式(1)所示。

(1)

式中，Lb為背景亮度(cd/m2)；La為觀察者方向每個燈具的亮度(cd/m2)；ω為每個燈具發光部分對觀察者眼睛所形成的立體角(sr)；P為每個單獨燈具的位置系數。

大多照明環境所產生UGR值的范圍為10～30，其中30表示產生嚴重的不舒適眩光，10表示不太可能產生不舒適眩光，UGR值小于10的照明環境中認為沒有不舒適眩光[4]。UGR等級分為13/16/19/22/25/28，其中13代表可感知的最小不舒適眩光[3]。對于教室照明，國家標準的要求是UGR不大于19。對于一個已經布置好教室燈具和黑板燈具的教室，UGR測量除了量取燈具出光口面尺寸和燈具所在教室的坐標位置外，主要是指要用亮度計測量每個教室燈具的亮度和背景環境的亮度。如果整個照明環境由不同類型燈具組成，其光分布各異或燈具不同，或兩者兼有，則必須對每個光源/燈具組合在不同觀察者位置分別計算UGR值，應當將計算得到的最高UGR值作為整個照明環境的典型值，并且將所有確定UGR的計算條件進行說明[3]。

2 燈具配光測試

基于LED光源發光面積小、光效高、顯色性好等特點，廠家通過采用各種非對稱的光學設計來提高黑板照明的照度及均勻度。當前黑板燈主流的光學系統有塑料棱鏡、塑料棱鏡外加乳白色平板透光罩、乳白色透光罩外加金屬反射板、塑料棱鏡加透光罩再加格柵等四種。針對以上四種情況，我們選取了六款典型黑板燈具進行配光測試，測試結果如表1所示。

表1 常見黑板燈具配光測試結果

續表1

六款燈具中1號為塑料棱鏡加透光罩外加格柵類型，2號和3號為塑料棱鏡外加乳白色平板透光罩類型，4號為乳白色透光罩外加金屬反射板類型，5號和6號為塑料棱鏡類型。從表1可以看出，帶有格柵的燈具可以很好地減小C0/180面(側面)上光束角[5]，只有棱鏡處理的黑板燈具在C0/180面上光束角會比較大。另外在C90/270面(正面)上光束角的離散性比較大。

3 模擬仿真計算

在光學設計的同時，大多廠家都考慮到將燈具盡可能地安裝在距離黑板較近的位置上，這樣也可以避免老師正面(C90/270面)直接眩光的影響，為此，本文的黑板燈具安裝是按照標準T/CEEIA 365—2019《中小學校教室光環境設計及測試評價規范》中的要求進行的，如圖1所示[6]，圖中m為燈具出光后邊緣與黑板面的水平距離，n為燈具出光下邊緣到黑板上邊緣的垂直距離，h為為黑板下邊緣離講臺面的垂直距離。仿真計算中燈具的水平和垂直安裝距離滿足標準要求，如式(2)所示。

m

(2)

圖1 黑板燈具的安裝示意圖Fig.1 Diagram of blackboard lamp’s installation position

為了充分說明黑板燈具在不同位置和不同方向上對老師產生眩光的現象，根據GB 7793—2010《中小學校教室采光和照明衛生標準》中對黑板照明的要求[7]，結合GB/T 5700—2008《照明測量方法》所提出的測量方法[8]，將測試結果得到的IES文件按照同一安裝位置運用DIALux軟件對老師在講臺不同位置的正面(C90/270面)和側面(C0/180面)進行眩光模擬計算。

模擬計算所選取的典型教室長、寬、高分別為8.7 m、7.2 m、3.5 m，黑板長、寬、厚為4.0 m、1.2 m、0.1 m，黑板燈具安裝中心間距為1.7 m。除了黑板燈具配光不一致，其他室內參數和教室燈具參數設置均一致，如圖2所示。

圖2 教室光環境模擬分析圖Fig.2 Simulation analysis diagram of classroom light environment

按照標準GB/T 5700—2008中的要求，黑板照度布點間距為0.5 m×0.5 m[8]，按照中心布點法[8]，布點方式如圖3所示。所選六款燈具在滿足照度及均勻度的前提條件下，按照m=0.6 m，n=0.2 m，h=1.0 m，w=1.2 m，教師觀察點高1.72 m，觀察點距黑板水平距離0.3 m的條件進行仿真計算。另外，UGR計算點位置同照度計算點在同一豎直線上，共8個計算點，橫向相鄰兩點的間距0.5 m，布點方式如圖4所示，圖中9～16代表8個觀察點，水平向右觀察箭頭的方向表示C90/270面，豎直向上觀察箭頭表示C0/180面。其模擬計算結果如表2～表4所示。

圖3 黑板面上照度測試布點示意圖Fig.3 Diagram of illuminance test points on blackboard

圖4 UGR仿真計算布點示意圖Fig.4 Diagram of simulation calculation point of UGR

表2 不同黑板燈具在相同位置下模擬計算結果

注：安裝角α取燈具水平安裝時的角度為0°，出光口面向下轉動為+

表3 C90/270面上不同位置上黑板燈具對老師產生的UGR模擬計算結果

表4 C0/180面上不同位置上黑板燈具對老師產生的UGR模擬計算結果

通過對六款不同設計類型的黑板燈具進行模擬仿真計算，在相同安裝位置下，每款燈具的黑板照明效果都能滿足國家標準的要求。同時，黑板燈具在滿足標準T/CEEIA 365—2019《中小學校教室光環境設計及測試評價規范》中安裝位置的要求下[6]，在C90/270面方向上產生的UGR均低于國家標準要求值19，并且根據模擬計算得出的眩光值在滿足標準要求的前提下降低11%。另外，黑板燈具在標準要求的安裝位置范圍內，C0/180面光束角為72.4°時，老師在講臺上感受到眩光的情況會適當減少；在大于或等于78.5°的情況下，整個講臺在該方向上UGR大于19的位置比例超過87.5%；C90/270面光束角和該方向的UGR沒有一定的線性關系，如圖5所示。結合表1～表4分析得出，黑板燈具光通量在2829～3744 lm范圍內和眩光沒有呈現一定的線性關系。

圖5 C90/270面光束角和UGR關系圖Fig.5 Relationship of beam angle in C90/270 direction and UGR

4 結論

通過對六款不同配光類型的LED黑板燈具在相同的教室環境中進行光環境模擬計算分析得出，在滿足相應標準的安裝要求下，黑板照明能夠滿足國家標準的要求，并且在C90/270面上能夠很好的抑制住眩光對老師正面的影響。從配光測試和模擬計算的結果可以看出，在黑板燈具水平安裝距離確定的情況下，黑板燈具C90/270面光束角在24.6°～48.9°內變化時對老師產生的眩光變化不大，均可以低于國家標準要求；另外，黑板燈具通過減小C90/270面光束角的設計來抑制老師正面的眩光影響意義不大。在C0/180面上對老師側面方向上的眩光影響會隨著光束角的減小而降低，如果能將C0/180面上光束角降低到72.4°以下，老師所感受到的眩光會明顯減小。綜上所述，可以通過單個透鏡或者增加格柵的方式來控制黑板燈具C0/180面光束角，以達到減小側面眩光的目的。